譚皓尹，胡 敏，郭 毅

(1.中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000；2.昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650208)

0 引言

中國鐵路昆明局集團(tuán)有限公司管內(nèi)廣通到大理單線為典型山區(qū)小半徑曲線，最小曲線半徑為350 m，曲線半徑小于800 m的線路占正線總長的90%以上。近年來，廣大線上曲線區(qū)段的鋼軌上股側(cè)磨導(dǎo)致的鋼軌病害問題引起了工務(wù)部門的高度重視，而該線上行駛的HXN5型機(jī)車也普遍暴露出了車輪輪緣磨耗快、磨耗不均、踏面凹陷等問題。因此，研究廣大線上HXN5型機(jī)車曲線通過性能顯得尤為重要。

影響HXN5機(jī)車曲線通過性能的因素主要分為以下兩類：①機(jī)車或其牽引的車輛固有參數(shù)的改變，比如機(jī)車或其牽引的車輛懸掛系統(tǒng)參數(shù)、車輪踏面參數(shù)、編組類型、運(yùn)行速度等的改變；②線路參數(shù)的改變，比如圓曲線半徑及長度、緩和曲線半徑及長度、豎曲線半徑及長度、線路超高值、軌距加寬量、道岔型號及鋼軌廓形參數(shù)等的改變[1-3]。

國內(nèi)外學(xué)者對HXN5型機(jī)車曲線通過性能的研究主要集中在機(jī)車固有參數(shù)和線路曲線參數(shù)，并未系統(tǒng)性地研究鋼軌廓形參數(shù)對其曲線通過性能的影響。

本文先對山區(qū)小半徑曲線鋼軌磨耗問題進(jìn)行總結(jié)，再以HXN5型機(jī)車為研究對象，依據(jù)TB/T2360—1993、GB5599—1985、UIC518：2009等國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對HXN5型機(jī)車動力學(xué)性能進(jìn)行評價[4]，研究實測鋼軌廓形和打磨優(yōu)化廓形對HXN5型機(jī)車曲線通過性能的影響，研究結(jié)論可為山區(qū)小半徑曲線鐵路鋼軌打磨方案的制定提供參考。

1 山區(qū)小半徑曲線鋼軌磨耗

山區(qū)小半徑曲線鋼軌病害形式主要是軌距角處出現(xiàn)斜裂紋以及由斜裂紋擴(kuò)展出的剝離掉塊，鋼軌磨耗類型主要是上股側(cè)磨[5]。廣大線鋪設(shè)鋼軌類型有60軌和60N軌[6]，圖1為實測60廓形軌與其新軌廓形對比，圖2為實測60N廓形軌與其新軌廓形對比。從圖1和圖2中可以看出：小半徑曲線兩種軌型上股側(cè)磨已經(jīng)嚴(yán)重，曲線上股非作用邊較高，輪軌接觸方式為典型的兩點(diǎn)接觸，接觸應(yīng)力大、側(cè)磨速率高；對于60軌不但上股存在嚴(yán)重側(cè)磨，且下股軌頂已完全壓平，非常不利于輪軌正常接觸，輪軌接觸關(guān)系極差。

圖1 廣大線K135+000(R350)曲線上、下股廓形(60軌)

圖2 廣大線K65+040(R350)曲線上、下股廓形(60N軌)

2 鋼軌磨耗對HXN5型機(jī)車曲線通過性能的影響

根據(jù)多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論，利用SIMPACK軟件建立的HXN5型機(jī)車動力學(xué)仿真模型如圖3所示。模型考慮了懸掛系統(tǒng)非線性、輪軌接觸幾何關(guān)系非線性、蠕滑力非線性等非線性因素，將機(jī)車系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架、輪對、車體、電機(jī)等部件均視作剛體，不考慮其彈性變形。

圖3 HXN5型機(jī)車動力學(xué)仿真模型

廣大單線鋪設(shè)鋼軌類型有60軌和60N軌，為了使數(shù)據(jù)更具代表性，曲線線路選取每種類型鋼軌4條小半徑曲線；分析各曲線段實測廓形和優(yōu)化廓形對HXN5型機(jī)車曲線通過性能影響時，將美國AAR5級軌道譜[7]施加于軌道上。

機(jī)車以80 km/h的速度通過60N鋼軌不同曲線(曲線線路工況見表1)，各項性能指標(biāo)變化情況如圖4～圖7所示。

表1 60N鋼軌曲線工況

圖4 機(jī)車通過60N鋼軌時的脫軌系數(shù) 圖5 機(jī)車通過60N鋼軌時的輪重減載率

圖6 機(jī)車通過60N鋼軌時的輪軸橫向力 圖7 機(jī)車通過60N鋼軌時的磨耗功率

機(jī)車以80 km/h的速度通過60鋼軌不同曲線(曲線線路工況見表2)，各項性能指標(biāo)變化情況如圖8～圖11所示。

圖8 機(jī)車通過60鋼軌時的脫軌系數(shù) 圖9 機(jī)車通過60鋼軌時的輪重減載率

表2 60鋼軌曲線工況

從圖4～圖11中可以看出：實測鋼軌會惡化機(jī)車曲線通過性能，對其進(jìn)行打磨(即廓形優(yōu)化)后，機(jī)車曲線通過性能明顯改善，輪軌磨耗也能得到減少，降低了維護(hù)成本[8]，建議工務(wù)部門定期對鋼軌進(jìn)行打磨以確保機(jī)車車輛的安全運(yùn)行。

圖10 機(jī)車通過60鋼軌時的輪軸橫向力 圖11 機(jī)車通過60鋼軌時的磨耗功率

3 結(jié)論

本文通過研究高原山區(qū)小半徑曲線鋼軌磨耗問題和鋼軌磨耗對HXN5型機(jī)車曲線通過性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1)山區(qū)小半徑曲線鋼軌病害形式主要為軌距角處出現(xiàn)斜裂紋以及由斜裂紋擴(kuò)展出的剝離掉塊，鋼軌磨耗類型主要為上股側(cè)磨。

(2)鋼軌磨耗會惡化機(jī)車曲線通過性能，對其進(jìn)行打磨(即廓形優(yōu)化)后，機(jī)車曲線通過性能明顯改善，輪軌磨耗也能得到減少，進(jìn)而延長車輪和鋼軌的使用壽命，降低維護(hù)成本。

以上結(jié)論可為制定山區(qū)小半徑曲線鐵路鋼軌打磨方案提供參考。